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EP2900451A1 - Procede d'elaboration d'un materiau composite thermoplastique renforce par des nanotubes de carbone - Google Patents

Procede d'elaboration d'un materiau composite thermoplastique renforce par des nanotubes de carbone

Info

Publication number
EP2900451A1
EP2900451A1 EP13759769.6A EP13759769A EP2900451A1 EP 2900451 A1 EP2900451 A1 EP 2900451A1 EP 13759769 A EP13759769 A EP 13759769A EP 2900451 A1 EP2900451 A1 EP 2900451A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon nanotubes
polymer
composite material
thermoplastic
matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP13759769.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2900451B1 (fr
Inventor
Stephane Delalande
Didier Fromonteil
Alain Guinault
Cyrille SOLLOGOUB
Guillaume MIQUELARD-GARNIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
PSA Automobiles SA
Original Assignee
CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
Peugeot Citroen Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers, Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
Publication of EP2900451A1 publication Critical patent/EP2900451A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2900451B1 publication Critical patent/EP2900451B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/16—Fillers
    • B29K2105/165—Hollow fillers, e.g. microballoons or expanded particles
    • B29K2105/167—Nanotubes

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a thermoplastic composite material reinforced with carbon nanotubes and such a composite material.
  • thermoplastic matrix compatibilizer in different areas of the extruder barrel depending on the compounding processes. Examples of such processes are for example described in EP-A-1,728,822, WO-A-2006/136715 or EP-B-1 885 790.
  • the invention proposes a process for producing a thermoplastic composite material reinforced with carbon nanotubes, the process comprising a step of: a) coextruding a thermoplastic polymer and a mixture of a polymer matrix thermoplastic with a masterbatch comprising carbon nanotubes,
  • step b) multiplying the number of layers of the extrudate obtained in step a) by means of a layer multiplier block (20), the layer multiplier block preferably comprising between one and ten layer multiplying elements (22; 30) to form an extrudate of nanometric thickness and whose concentration of carbon nanotubes is chosen,
  • this method also comprises the steps, prior to step a),
  • thermoplastic polymer a thermoplastic polymer with the masterbatch comprising carbon nanotubes by compounding:
  • the masterbatch comprising carbon nanotubes, and, preferably,
  • the production process also comprises a step of:
  • step c) extruding the extrudate obtained in step a) by means of a twin-screw extruder.
  • step c) is carried out with a specific mixing energy of greater than 2,000 kJ / kg.
  • step c) is carried out with a ratio of the proportion by weight of carbon nanotubes with respect to the proportion by weight of compatibilizing agent of between 0.05 and 0.3, of preferably equal to 0.2.
  • the amount of carbon nanotubes is, by weight, between 0.1 and 10% of the total weight of the matrix of the polymer.
  • thermoplastic polymer is based on polyolefin, in particular polypropylene, the compatibilizing agent being maleic anhydrous grafted polypropylene. It is also possible to use other polymers such as polyamides, semi-aromatic polyamides, phenylene polysulfides, polyether ether ketones, polyether ketones or styrenic compounds.
  • the production method comprises a step of shaping plates, films, wires or granules of the thermoplastic composite material reinforced with carbon nanotubes.
  • the invention also relates to a thermoplastic composite material reinforced with carbon nanotubes obtained by a method of preparation as described above in all its combinations.
  • Figure 1 a schematic view of an installation for the implementation of a process for producing a thermoplastic composite material reinforced with carbon nanotubes
  • FIG. 2 a step of multiplying the layers of a thermoplastic composite material by means of multiplying elements.
  • the basic thermoplastic composite material is polypropylene.
  • the process as described below can also be implemented for other thermoplastic composite materials, especially for other polyolefin-based materials, such as polyethylene.
  • the carbon nanotubes used here can be single-walled or multi-walled.
  • a dilution of a master batch charged with carbon nanotubes is carried out in a polypropylene base by compounding.
  • compounding is a process for melting plastics and additives.
  • This method thus makes it possible to modify the physical, thermal, electrical or aesthetic characteristics of a basic plastic material.
  • a polypropylene matrix is introduced into a hopper, from the masterbatch comprising carbon nanotubes.
  • a compatibilizer suitable for the base polymer is also added at this stage.
  • maleic anhydride graft polypropylene, PP-g-AM is used as the compatibilizing agent.
  • the concentration of compatibilizer varies depending on the type of polymer.
  • the ratio between the weight concentration of carbon nanotubes and the concentration by weight of the compatibilizer may be between 5 and 30%. Preferably, this ratio is equal to 20%. It has indeed been found that too much concentration of compatibilizer is detrimental to the step, described later, of multiplication of the layers.
  • thermoplastic composite material of final concentration of carbon nanotubes of between about 0.1 and 10% by weight, relative to the total weight of the matrix of the polymer.
  • the compound obtained by the dilution is then extruded, for example by means of a co-rotating twin-screw extruder.
  • the working temperature of the extruder is selected according to the melting temperature of the base polymer used. Here, for polypropylene, the working temperature can be chosen to be 240 ° C.
  • Another important parameter is the specific mixing energy (SME) which can be important, especially greater than 2000 kJ / kg, to promote the interactions between the compatibilizing agent and the carbon nanotubes.
  • SME specific mixing energy
  • the EMS value may also depend on the parameters of the extruder used.
  • This compounding phase on a twin-screw extruder makes it possible to carry out a first dilution of the carbon nanotubes in the polymer matrix and, with the maleic anhydride grafted polypropylene, a first dispersion of the nanotubes in this matrix of the polymer.
  • a coextrusion by means of two extruders 10, 12 monovis mounted in parallel.
  • a first extruder 10 is fed with polypropylene (without carbon nanotubes, or compatibilizer, in particular) while the second extruder 12 is fed by the mixture of the polypropylene matrix, the masterbatch comprising nanotubes of carbon and, where appropriate, a compatibilizer.
  • This coextrusion is carried out so as to form an extrudate having layers of thickness that can be nanometric.
  • Nanometer thickness means a thickness of the order of magnitude of the nanometer, especially between 10 and 100 nm.
  • a trilayer extrudate 14 comprising two layers 16 of polypropylene matrix sandwiching a layer 18 of mixing the polypropylene matrix with the masterbatch (in this case the layers are micrometric).
  • Extrudate 14 is in molten form.
  • the temperature of the polymer, on the one hand, and the mixture on the other hand, during this extrusion phase can be adapted depending on the polymer used.
  • the temperature of the polypropylene and the mixture is between the melt temperature of the polypropylene plus 30 to 90 ° C. Of course, this temperature must be adapted according to the degradation temperature of the polymer used.
  • Game. The tri-layer extrudate 14 is then passed through a layer multiplier block 20. This layer multiplier block is heated to the optimized extrusion temperature of the coextrusion stage.
  • the multiplier layer block is preferably one to ten multiplier elements known in the literature (Schrenk, WJ (1965), US Patent No. 431,336). These multiplier elements can be likened to material flow separators / cutters. The number of multiplier elements governs the final dispersion of the nanotubes in the final polymer matrix.
  • FIG. 2 illustrates the operation of the layer multiplier block 20.
  • the extrudate 14 feeds a first layer multiplier element 22.
  • This first multiplier element cuts the extrudate stream 14 into two identical flows 24 and makes it possible to obtain at the output, a single output stream 26 corresponding to the superposition of the two streams 24.
  • This single output stream 26 can then feed a second layer multiplier element 30. It is thus possible to produce a flow of material 32 having a large number of layers, by choosing the appropriate number of layer multiplying elements of the layer multiplier block.
  • the composite material thus obtained may further be shaped plates, films, son or granules.
  • the composite material obtained preferably in the form of granules, can be reinjected for production of mechanical parts, especially in the automotive field.
  • the present invention is not limited to the examples described above and is capable of numerous variants accessible to those skilled in the art.
  • the extrudate can feed a twin-screw extruder, or more generally, any tool for making micrometric layers after making a twin-screw extrusion with a high EMS. .

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'élaboration d'un matériau (14) composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone. Ce procédé comprend une étape de coextrusion (10,12) d'un polymère thermoplastique et d'un mélange d'une matrice du polymère thermoplastique (16) avec un mélange maître comprenant des nanotubes de carbone (18), pour former un extrudat présentant des couches d'épaisseur nanométrique.

Description

PROCEDE D'ELABORATION D'UN MATERIAU COMPOSITE
THERMOPLASTIQUE RENFORCE PAR DES NANOTUBES DE CARBONE
[oooi ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1259010 déposée le 26 septembre 2012 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[ooo2] La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'un matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone et un tel matériau composite.
[ooo3] Pour réaliser des matériaux composites thermoplastiques avec des nano- renforts tels que les nanotubes de carbone, les nano argiles, il est connu d'utiliser un procédé dit de compoundage par extrudeuse bi-vis. L'optimisation des paramètres de cette extrusion bi-vis a été étudiée en détails par le groupe de P. Pôtschke (voir par exemple Alig I, Pôtschke P, Lellinger D, Skipa T, Pegel S, Kasaliwal GR, Villmow T, Establishment, morphology and properties of carbon nanotube networks in polymer melts, Polymer (201 1 ), doi: 10.1016/j.polymer.201 1 .10.063). Il a notamment été montré qu'une énergie spécifique de mélange SME (de l'anglais « Spécifie Mixing Energy », exprimée en kJ/kg) élevée, correspondant à un cisaillement élevé et/ou à un temps de séjour long, favorisait la dispersion des nanotubes de carbone dans la matrice composite.
[ooo4] L'ajout des nano-objets peut se faire avec ou sans agent de compatibilisation de la matrice thermoplastique, en différentes zones du fourreau de l'extrudeuse en fonction des procédés de compoundage. [ooo5] Des exemples de tels procédés sont par exemple décrits dans EP-A- 1 728 822, WO-A-2006/136715 ou EP-B-1 885 790.
[ooo6] Cependant, ces procédés ne permettent pas d'obtenir un renfort important du matériau (maximum de 30% d'augmentation du module de Young dans le cas de polyamide et inférieur pour les polyoléfines) tout en conservant un allongement à la rupture satisfaisant. Dans tous les cas, une chute drastique de l'allongement à la rupture est observée, jusqu'à être inférieure à 50% pour des polyoléfines. Cette chute s'explique en partie par une mauvaise dispersion des nanotubes de carbone dans le matériau thermoplastique et par un manque d'affinité avec la matrice polyoléfine.
[ooo7] Par ailleurs, il est connu un procédé d'extrusion microcouches utilisé pour disperser des microcharges de talc dans des applications barrière (voir par exemple JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART B-POLYMER PHYSICS, 37, 8, 847-857 DOI : 10.1002/(SICI)1099-0488(19990415)37:8<847::AID-POLB10>3.0.CO;2-3, 1999).
[ooo8] Enfin, un procédé similaire dit de mélange chaotique (de l'anglais « chaotic mixing ») est connu, qui est mis en œuvre sur des matrices en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en polyuréthane (PU) thermoplastiques avec des nanofibres de carbone (voir notamment G. A. Jimenez, S.C. Jana, Carbon, Volume 45, Issue 10, September 2007, Pages 2079-2091 ).
[ooo9] L'invention propose un procédé d'élaboration d'un matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone, procédé comprenant une étape de : a) coextrusion d'un polymère thermoplastique et d'un mélange d'une matrice du polymère thermoplastique avec un mélange maître comprenant des nanotubes de carbone,
b) multiplication du nombre de couches de l'extrudat obtenu à l'étape a) au moyen d'un bloc multiplicateur de couches (20), le bloc multiplicateur de couches comprenant de préférence entre un et dix éléments multiplicateurs de couches (22 ; 30) pour former un extrudat d'épaisseur nanométrique et dont la concentration en nanotubes de carbone est choisie,
Selon l'invention ce procédé comporte en outre, les étapes, antérieures à l'étape a), de
c) réalisation du mélange du polymère thermoplastique avec le mélange maître comprenant des nanotubes de carbone par compoundage :
- d'une matrice du polymère,
- du mélange maître comprenant des nanotubes de carbone, et, de préférence,
- d'un agent de compatibilisation pour les nanotubes de carbone dans le polymère
d) extrusion du mélange. [0010] Selon une variante, le procédé d'élaboration comprend en outre une étape de :
b') extrusion de l'extrudat obtenu à l'étape a), au moyen d'une extrudeuse bi-vis. [ooi i ] Selon une variante, l'étape c) est réalisée avec une énergie spécifique de mélange supérieure à 2 000 kJ/kg.
[ooi 2] Selon une variante, l'étape c) est réalisée avec un rapport de la proportion en poids de nanotubes en carbone par rapport à la proportion en poids d'agent de compatibilisation compris entre 0,05 et 0,3, de préférence égal à 0,2. [0013] Selon une variante, la quantité de nanotubes de carbone est comprise, en poids, entre 0,1 et 10 % du poids total de la matrice du polymère.
[0014] Selon une variante, le polymère thermoplastique est à base de polyoléfine, notamment de polypropylène, l'agent de compatibilisation étant du polypropylène greffé anhydre maléique. Il est aussi possible d'utiliser d'autres polymères tels que des polyamides, des polyamides semi-aromatiques, polysulfures de phénylène, les polyéther éther cétone, les polyéther cétone ou des composés styréniques.
[ooi 5] Selon une variante, le procédé d'élaboration comprend une étape de mise en forme de plaques, de films, de fils ou de granulés du matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone. [0016] L'invention vise également un matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone obtenu par un procédé d'élaboration tel que décrit ci-avant dans toutes ses combinaisons.
[ooi 7] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent :
• figure 1 , une vue schématique d'une installation permettant la mise en œuvre d'un procédé d'élaboration d'un matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone ; et
• figure 2, une étape de multiplication des couches d'un matériau composite thermoplastique au moyen d'éléments multiplicateurs. [0018] Dans la suite, on décrit un exemple de procédé d'élaboration d'un matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone. Dans l'exemple décrit, le matériau composite thermoplastique de base est du polypropylène. Bien entendu, le procédé tel que décrit ci-après peut également être mis en œuvre pour d'autres matériaux composites thermoplastiques, notamment pour d'autres matériaux à base de polyoléfine, comme notamment le polyéthylène.
[0019] Les nanotubes de carbones mis en œuvre ici peuvent être mono-parois ou multi-parois.
[0020] On réalise tout d'abord une dilution d'un mélange maître chargé de nanotubes de carbone dans une base de polypropylène par compoundage. Pour rappel, le compoundage est un procédé permettant le mélange par fusion de matières plastiques et d'additifs. Ce procédé permet ainsi de modifier les caractéristiques physiques, thermiques, électriques ou esthétiques d'une matière plastique de base. [0021 ] Pour cette étape, on introduit dans une trémie une matrice de polypropylène, du mélange maître comprenant des nanotubes de carbone. De préférence, on ajoute également à cette étape un agent de compatibilisation approprié au polymère de base. Ici, pour du polypropylène, on utilise comme agent de compatibilisation du polypropylène greffé anhydride maléique, PP-g-AM. La concentration en agent de compatibilisation varie en fonction du type de polymère. Dans le cas du polypropylène, le rapport entre la concentration en poids de nanotubes de carbones et la concentration en poids de l'agent de compatibilisation peut être compris entre 5 et 30%. De préférence, ce rapport est égal à 20 %. Il a en effet été constaté qu'une concentration trop importante en agent de compatibilisation était nuisible à l'étape, décrite plus tard, de multiplication des couches.
[0022] Dans cette étape, la dilution est réalisée de manière à obtenir un matériau composite thermoplastique de concentration finale en nanotubes de carbone comprise entre environ 0,1 et 10 % en poids, par rapport au poids total de la matrice du polymère.
[0023] Le compound obtenu par la dilution est ensuite extrudé, par exemple au moyen d'une extrudeuse bi-vis co-rotative. La température de travail de l'extrudeuse est choisie en fonction de la température de fusion du polymère de base utilisé. Ici, pour le polypropylène, la température de travail peut être choisie égale à 240 °C. Un autre paramètre important est l'énergie spécifique de mélange (SME) qui peut être importante, notamment supérieure à 2 000 kJ/kg, pour favoriser les interactions entre l'agent de compatibilisation et les nanotubes de carbone. La valeur de SME peut également dépendre des paramètres de l'extrudeuse utilisée.
[0024] Cette phase de compoundage sur une extrudeuse bi-vis permet d'effectuer une première dilution des nanotubes de carbone dans la matrice du polymère et, avec le polypropylène greffé anhydride maléique, une première dispersion des nanotubes dans cette matrice du polymère.
[0025] On procède ensuite, comme cela est illustré sur la figure 1 , à une coextrusion au moyen de deux extrudeuses 10 ,12 monovis montées en parallèle. A cette étape, une première extrudeuse 10 est alimentée par du polypropylène (sans nanotubes de carbone, ni agent de compatibilisation, notamment) alors que la deuxième extrudeuse 12 est alimentée par le mélange de la matrice de polypropylène, du mélange maître comprenant des nanotubes de carbone et, le cas échéant, d'un agent de compatibilisation. Cette coextrusion est réalisée de manière à former un extrudat présentant des couches d'épaisseur pouvant être nanométrique. Par épaisseur nanométrique, on entend une épaisseur de l'ordre de grandeur du nanomètre, notamment compris entre 10 et 100 nm. On obtient ainsi, par exemple, un extrudat tricouche 14 comprenant deux couches 16 de matrice de polypropylène prenant en sandwich une couche 18 de mélange de la matrice polypropylène avec le mélange maître (dans ce cas les couches sont micrométriques). L'extrudat 14 est sous forme fondue.
[0026] La température du polymère, d'une part, et du mélange d'autre part, durant cette phase d'extrusion peut être adaptée en fonction du polymère utilisé. Ici, dans le cas du polypropylène, la température du polypropylène et du mélange est comprise entre la température de fusion du polypropylène plus 30 à 90 ° C. Bien entendu, cette température doit être adaptée en fonction de la température de dégradation du polymère mis en jeu. [0027] L'extrudat tri-couches 14 est alors passé dans un bloc multiplicateur de couches 20. Ce bloc multiplicateur de couches est chauffé à la température d'extrusion optimisée de l'étape de coextrusion. Le bloc multiplicateur de couches est constitué de préférence d'un à dix éléments multiplicateurs connus dans la littérature (Schrenk, W. J. (1965). Brevet n ° 431,336. USA). Ces éléments multiplicateurs peuvent être assimilés à des séparateurs/coupeurs de flux de matière. Le nombre d'éléments multiplicateurs gouverne la dispersion finale des nanotubes dans la matrice polymère finale.
[0028] La figure 2 illustre le fonctionnement du bloc multiplicateur de couches 20. L'extrudat 14 alimente un premier élément multiplicateur de couches 22. Ce premier élément multiplicateur découpe le flux d'extrudat 14 en deux flux 24 identiques et permet d'obtenir, en sortie, un flux unique 26 de sortie correspondant à la superposition des deux flux 24. Ce flux unique 26 de sortie peut ensuite alimenter un deuxième élément multiplicateur de couches 30. On peut ainsi réaliser un flux de matériau 32 présentant un grand nombre de couches, en choisissant le nombre approprié d'éléments multiplicateurs de couches du bloc multiplicateur de couches.
[0029] La présence concomitante de couches avec des nanotubes de carbone bien dispersés et de polymère vierge permet de garantir le renforcement du matériau composite obtenu, tout en conservant un allongement à la rupture satisfaisant.
[0030] Le matériau composite ainsi obtenu peut en outre être mis en forme de plaques, de films, de fils ou de granulés. Le matériau composite obtenu, de préférence sous forme de granulés, peut être réinjecté pour production de pièces mécaniques, notamment dans le domaine de l'automobile. [0031 ] La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.
[0032] Ainsi, plutôt que d'alimenter un bloc multiplicateur couche, l'extrudat peut alimenter une extrudeuse bi-vis, ou plus généralement, tout outil permettant de faire des couches micrométriques après avoir fait une extrusion bi-vis avec une SME élevée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'élaboration d'un matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone, procédé comprenant une étape de :
a) coextrusion d'un polymère thermoplastique et d'un mélange d'une matrice du polymère thermoplastique avec un mélange maître comprenant des nanotubes de carbone,
b) multiplication du nombre de couches de l'extrudat obtenu à l'étape a) au moyen d'un bloc multiplicateur de couches (20), le bloc multiplicateur de couches comprenant de préférence entre un et dix éléments multiplicateurs de couches (22 ; 30) pour former un extrudat d'épaisseur nanométrique et dont la concentration en nanotubes de carbone est choisie,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre, les étapes, antérieures à l'étape a), de
c) réalisation du mélange du polymère thermoplastique avec le mélange maître comprenant des nanotubes de carbone par compoundage :
- d'une matrice du polymère,
- du mélange maître comprenant des nanotubes de carbone, et, de préférence,
- d'un agent de compatibilisation pour les nanotubes de carbone dans le polymère
d) extrusion du mélange.
2. Procédé d'élaboration selon la revendication 1 , comprenant en outre une étape de :
b') extrusion de l'extrudat obtenu à l'étape a), au moyen d'une extrudeuse bi-vis.
3. Procédé d'élaboration selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l'étape d) est réalisée avec une énergie spécifique de mélange supérieure à 2 000 kJ/kg.
4. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) est réalisée avec un rapport de la proportion en poids de nanotubes de carbone par rapport à la proportion en poids d'agent de compatibilisation compris entre 0,05 et 0,3, de préférence égal à 0,2.
5. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la quantité de nanotubes de carbone est comprise, en poids, entre 0,01 et 10 % du poids total de la matrice du polymère.
6. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le polymère thermoplastique est à base de polyoléfine, notamment du polypropylène, l'agent de compatibilisation étant du polypropylène greffé anhydre maléique.
7. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de mise en forme de plaques, de films, de fils ou de granulés du matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone.
8. Matériau composite thermoplastique renforcé par des nanotubes de carbone obtenu par un procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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